核島主設(shè)備的超聲檢測分析

魯 佳，何戈寧， 田雅婧， 任 亮， 侯依雯

(中國核動力研究設(shè)計(jì)院，成都 610041)

超聲檢測技術(shù)是核電主設(shè)備質(zhì)量控制的重要手段之一。在核島主設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，超聲檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于原材料制造與驗(yàn)收，厚度測量，焊接質(zhì)量檢測，設(shè)備出廠檢測、役前檢測、在役檢測等各個(gè)工序。目前，國內(nèi)“華龍一號”等三代核島主設(shè)備的超聲檢測設(shè)計(jì)主要遵循法國標(biāo)準(zhǔn) RCC-M：2007 《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)核建造規(guī)則》和RSE-MRSE-M：2010，In-serviceinspectionrulesformechanicalcomponentsofpowernuclearislands，并部分參照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 20003.2：2010《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無損檢測 第2部分：超聲檢測》。針對工程設(shè)計(jì)過程中部分核島主設(shè)備的超聲檢測問題進(jìn)行分析探討，并提出建議措施，為核島主設(shè)備超聲檢測設(shè)計(jì)提供參考。

1 超聲檢測儀器與探頭性能要求差異性分析

RCC-M要求檢測所使用的儀器應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)EN 12668-1：2000,Non-destructivetesting-characterizationandverificationofultrasonicexaminationequipment-part1:instruments的相關(guān)要求，該標(biāo)準(zhǔn)對儀器的中心頻率提出了明確求；NB/T 20003.2要求測定檢測儀器的屏高線性、水平線性、垂直線性等指標(biāo)，其余指標(biāo)應(yīng)滿足JB/T 10061：1999 《A型脈沖反射式超聲波探傷儀通用技術(shù)條件》 的要求。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，NB/T 20003.2要求儀器衰減精度為12 dB(誤差為±1 dB)，EN 12668-1要求粗調(diào)衰減精度為60 dB(誤差為±2 dB)，微調(diào)衰減精度為20 dB(誤差為±1 dB)，RCC-M在衰減精度方面明顯要嚴(yán)于NB/T 20003.2，兩者對衰減精度的要求差異較大，這將直接影響對缺陷的定量。另外，JB/T 10061標(biāo)準(zhǔn)對其他性能均只要求給出項(xiàng)目測試方法和測試結(jié)果，并未給出驗(yàn)收條款；而EN 12668-1規(guī)定了所有測試項(xiàng)目的方法及驗(yàn)收條款，即EN 12668-1對檢測儀器的性能提出了更高要求，JB/T 10061測試條件和測試方法還較落后，測試方法及測試裝置與國外標(biāo)準(zhǔn)也存在較大差別[1]。

超聲檢測探頭方面，RCC-M要求檢測探頭應(yīng)滿足 EN 12668-2：2001,Non-destructivetesting-characterizationandverificationofultrasonicexaminationequipment-part2:probes的相關(guān)要求，NB/T 20003.2對主聲束偏離角以及主聲束垂直方向的波峰特性做出要求，并要求探頭性能測試方法滿足JB/T 10062：1999 《超聲探傷用探頭性能測試方法》 的規(guī)定。EN 12668-2對中心頻率、帶寬、脈沖寬度、入射點(diǎn)、入射角等性能均提出了要求，RCC-M較NB/T 20003.2更加關(guān)注檢測探頭的性能，對檢測探頭性能提出了更高的要求，規(guī)避了檢測探頭的不穩(wěn)定性對檢測結(jié)果的影響。另外，NB/T 20003.2引用的JB/T 10062適用于1～5 MHz的直探頭、斜探頭、雙晶直探頭的測試，而NB/T 20003.2的適用范圍為1～6 MHz的單雙晶直和斜探頭，JB/T 10062無法完全覆蓋NB/T 20003.2的適用范圍，存在特定頻率探頭無法嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)檢測探頭性能的問題。

RCC-M要求儀器-探頭的組合性能滿足EN 12668-3：2000,Non-destructivetesting-characterizationandverificationofultrasonicexaminationequipment-part3:combinedequipment的相關(guān)要求，NB/T 20003.2要求滿足JB/T 9214：1999 《A型脈沖反射式超聲波探傷儀通用技術(shù)條件》 的相關(guān)要求。經(jīng)對比分析可知，EN 12668-3與JB/T 9214在測試項(xiàng)目與周期要求上基本一致，因此，可認(rèn)為兩者可以等效應(yīng)用。

綜上所述，在超聲檢測儀器與探頭性能要求方面，RCC-M較NB/T 20003.2提出了更加明確、可操作的要求，且NB/T 20003.2存在特定頻率無法嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)檢測探頭性能的問題，建議在按照NB/T 20003.2進(jìn)行檢測時(shí)(例如按照附錄H對異種焊縫金屬進(jìn)行超聲檢測)，可參考RCC-M或其他標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充完善檢測儀器與探頭的性能要求。

2 鍛件超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用

對于鍛件的超聲檢測，RCC-M標(biāo)準(zhǔn)要求厚度不大于100 mm的鍛件應(yīng)采用規(guī)定尺寸的矩形槽確定基準(zhǔn)靈敏度；對于厚度大于100 mm的鍛件，應(yīng)采用至少3個(gè)φ2 mm橫孔確定檢測靈敏度。實(shí)際檢測過程中發(fā)現(xiàn)，在測定厚度為100 mm的低合金鋼鍛件時(shí)，選用φ2 mm橫孔確定的基準(zhǔn)靈敏度比用規(guī)定尺寸的矩形槽確定的基準(zhǔn)靈敏度高約6～8 dB。吳遠(yuǎn)建[1]，關(guān)云峰[2]在進(jìn)行金鋼鍛件檢測時(shí)，均發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)象。這說明，當(dāng)?shù)秃辖痄撳懠穸燃s為100 mm時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)選用不同的反射體確定的基準(zhǔn)靈敏度差異較大，導(dǎo)致缺陷回波的差異也較大，因此，建議擴(kuò)大檢測厚度，盡可能交叉使用人工刻傷來確定基準(zhǔn)檢測靈敏度。

檢測標(biāo)準(zhǔn)要求厚度不大于100 mm的鍛件，反射體矩形槽尺寸應(yīng)隨深度增大而逐漸增大，充分考慮了不同厚度的缺陷當(dāng)量。對于厚度大于100 mm的鍛件，同一鍛件各深度均采用φ2 mm的橫通孔，即無論鍛件厚度大小可允許存在的缺陷當(dāng)量均一致[3]。由此可見，當(dāng)鍛件厚度大于100 mm時(shí)，遠(yuǎn)離表面的缺陷控制要求嚴(yán)于靠近表面缺陷的要求，但是鍛件表面易出現(xiàn)缺陷，從缺陷控制角度考慮[4]，建議補(bǔ)充對近表面缺陷的雙晶直探頭檢測。

對于外徑與內(nèi)徑之比不小于1.6的管狀和環(huán)狀鍛件，RCC-M要求從圓柱外表面沿周向，從正反兩個(gè)方向進(jìn)行100%斜射波掃查。這種掃查策略能夠高效地發(fā)現(xiàn)垂直于表面的軸向缺陷，但是較難發(fā)現(xiàn)垂直表面的周向缺陷，存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)。因此，在此類型鍛件的超聲檢測設(shè)計(jì)過程中，建議考慮從鍛件端面進(jìn)行軸向直射波掃查或沿外表面進(jìn)行軸向斜射波掃查。

RCC-M中鍛件斜射波掃查驗(yàn)收準(zhǔn)則為“回波幅度大于50%DAC(距離-波幅)曲線的信號應(yīng)予以記錄，回波幅度大于100%DAC曲線的任何信號應(yīng)判為不合格”。該記錄和驗(yàn)收要求與探頭頻率無關(guān)。探頭頻率對缺陷回波以及底波降低量影響較大，頻率越大，缺陷當(dāng)量越小，底波降低量越大。RCC-M只規(guī)定了探頭頻率范圍(1～6 MHz)，可能存在采用不同頻率探頭檢測結(jié)果不同的情況，并且在測量缺陷當(dāng)量尺寸時(shí)，探頭頻率的差異引起的尺寸差異會更大[5]。因此，建議按照標(biāo)準(zhǔn)選用較低頻率的探頭或者結(jié)合理論計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證的方式對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正，確保不降低原檢測要求[6]。

綜上所述，對于鍛件超聲檢測，RCC-M存在同一厚度下不同反射體的回波差異較大、鍛件近表面缺陷控制要求較低、管環(huán)狀鍛件周向缺陷檢測靈敏度較低等問題，建議進(jìn)行補(bǔ)充檢測或分析論證來對操作進(jìn)行修正，確保得到較準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。

3 支管角焊縫斜射波掃查覆蓋區(qū)域分析

RCC-M要求應(yīng)在35°～70°之間選用兩個(gè)至少相差15°的斜探頭對角焊縫進(jìn)行橫波掃查檢測。核島系統(tǒng)中常出現(xiàn)全焊透角焊縫，支管與筒體間一般垂直或者斜交連接，例如蒸汽發(fā)生器側(cè)梁、排污、疏水等小內(nèi)徑支管與筒體之間的連接。垂直直管掃查區(qū)域如圖1所示，斜交支管掃查區(qū)域如圖2所示(圖中L為探頭前沿長度)。

圖1 垂直直管掃查區(qū)域示意

該類結(jié)構(gòu)僅能從單邊外側(cè)采用不同斜射角度對垂直支管、斜交支管進(jìn)行掃查。由于探頭前沿以及結(jié)構(gòu)形式的限制，直射波法和一次反射波法均存在不可檢區(qū)域，直射波法的不可檢區(qū)域較大。從圖1,2中可看出，隨著斜射角的增大，不可檢區(qū)域減小，且垂直連接的不可檢區(qū)域要小于斜交連接的不可檢區(qū)域。另外，從圖2中可看出，單邊單側(cè)掃查時(shí)銳角側(cè)不可檢區(qū)域小于鈍角側(cè)的不可檢區(qū)域。

圖2 斜交支管掃查區(qū)域示意

綜上所述，支管與筒體間垂直或者斜交連接時(shí)均存在不可檢區(qū)域，設(shè)計(jì)支管角焊縫斜射波掃查方案時(shí)，在保證掃查靈敏度的前提下，建議盡量采用大角度斜探頭進(jìn)行掃查；在設(shè)計(jì)支管結(jié)構(gòu)時(shí)，建議盡量采用垂直或接近垂直的焊接結(jié)構(gòu)。

4 焊接接頭附近區(qū)域母材斜射波檢測要求差異性分析

核島系統(tǒng)中反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等主要采用低合金鋼鍛件作為承壓殼體材料，在原材料、制造、在役檢測等階段均須按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對原材料或焊接接頭以及附近區(qū)域母材進(jìn)行斜射波檢測，但檢測要求并非完全一致。以蒸汽發(fā)生器二次側(cè)下部筒體為例，對比分析不同階段母材斜射波的檢測要求，結(jié)果如表1所示(部分在役檢測單位以焊縫中心兩邊各85 mm為檢測區(qū)域，范圍大于制造階段的檢測范圍[7]，表中Hd為反射波；Hr為底波)。

從表1可以看出，在原材料階段，筒體按照RCC-M M2133引用的MC 2100和RCC-M MC2300進(jìn)行超聲檢測；制造階段和在役檢測階段分別按照RCC-M S7710和RSE-M A4221進(jìn)行超聲檢測；由探頭角度、頻率以及掃查方法可以看出，制造階段母材區(qū)域的反射體設(shè)置與原材料階段母材的反射體設(shè)置不完全一致，并且制造階段的驗(yàn)收準(zhǔn)則規(guī)定拒收存在體積顯示和非體積顯示的材料(考慮了缺陷的單個(gè)顯示和密集顯示)，于是就出現(xiàn)制造階段檢出的缺陷在原材料階段卻未被檢出的問題。因此，建議在原材料階段考慮后續(xù)制造階段對母材區(qū)域的斜射波檢測要求，按照RCC-M S7710補(bǔ)充焊接坡口附近區(qū)域的斜射波檢測。

表1 蒸汽發(fā)生器二次側(cè)下部筒體斜射波檢測要求對比分析結(jié)果

從表1的驗(yàn)收準(zhǔn)則可以看出，制造階段和在役檢測階段的記錄限值不一樣，對應(yīng)的探頭頻率也不完全一致。國內(nèi)制造階段與在役檢測階段的檢測任務(wù)并非由同一單位承擔(dān)，人員、儀器、探頭等存在差異，建議制造單位或在役檢測單位考慮設(shè)置一定的靈敏度余量，以減小人員、儀器、探頭等因素帶來的檢測結(jié)果差異。

綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)對焊接接頭附近區(qū)域母材斜射波檢測要求存在局部差異，建議采取增加檢測要求、考慮檢測靈敏度裕量等措施克服差異帶來的影響。

5 超聲波測量堆焊層厚度過程中熔深問題的討論

超聲檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于核電主設(shè)備內(nèi)壁不銹鋼堆焊層厚度的測量，由于核電設(shè)備本體厚度較厚，一般采用雙晶直探頭從堆焊層側(cè)進(jìn)行檢測。低合金鋼表面堆焊不銹鋼過程中，堆焊層下形成熔融層，采用該方法進(jìn)行檢測時(shí)，得到的厚度數(shù)據(jù)包括焊接熔深，一般比機(jī)械方法得到的堆焊層厚度要大，不能滿足對堆焊層厚度檢測精度要求較高的核島主設(shè)備檢測。鄧顯余等[8]提出了厚度計(jì)算法，通過測 定堆焊層和母材中的聲速計(jì)算得出堆焊層的實(shí)際厚度。任偉濤等[9]提出經(jīng)驗(yàn)矯正法，直接測定含 熔深的堆焊層厚度，扣除熔深厚度經(jīng)驗(yàn)值得出堆焊層的實(shí)際厚度。兩種方法均具有較好的工程實(shí)踐性。筆者認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)矯正法具有更好的可操作性，厚度計(jì)算法能夠較準(zhǔn)確地進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，結(jié)合工程實(shí)踐，可采用經(jīng)驗(yàn)矯正法來處理堆焊層厚度測量過程中熔深厚度的問題，必要時(shí)采取厚度計(jì)算法進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。因此，建議在檢測核電主設(shè)備內(nèi)壁不銹鋼堆焊層的厚度時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)矯正法來處理熔深厚度問題。

6 結(jié)論

(1) RCC-M較NB/T 20003.2對超聲檢測儀器與探頭性能等方面提出了更加明確、更具可操作性的要求，且NB/T 20003.2在特定頻率下無法嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)檢測探頭性能。建議在按照NB/T 20003.2進(jìn)行檢測時(shí)，可參考RCC-M或其他標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充完善檢測儀器與探頭的性能要求。

(2) 對鍛件進(jìn)行超聲檢測時(shí)，RCC-M存在同一厚度下不同反射體的回波差異較大、鍛件近表面缺陷控制要求較低、管環(huán)狀鍛件周向缺陷靈敏度較低、探頭頻率對缺陷回波存在影響等問題，建議進(jìn)行補(bǔ)充檢測或分析論證來修正操作，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3) 支管與筒體間垂直或者斜交連接時(shí)存在不可檢區(qū)域，在保證掃查靈敏度的前提下，建議盡量采用大角度斜探頭進(jìn)行掃查；在設(shè)計(jì)支管結(jié)構(gòu)時(shí)，建議盡量采用垂直或接近垂直的焊接結(jié)構(gòu)。

(4) 標(biāo)準(zhǔn)對焊接接頭附近區(qū)域母材斜射波檢測的要求存在局部差異，建議采取增加檢測要求、考慮檢測靈敏度裕量等措施減小差異帶來的影響。

(5) 檢測堆焊層厚度時(shí)，熔深將影響堆焊層厚度的準(zhǔn)確性，建議采用經(jīng)驗(yàn)矯正扣除熔深厚度的方法確定堆焊層厚度。